El vidrio inteligente, también conocido como vidrio conmutable , vidrio dinámico y vidrio tintado inteligente , es un tipo de vidrio que puede cambiar sus propiedades ópticas, volviéndose opaco o tintado, en respuesta a señales eléctricas o térmicas. Esto se puede utilizar para evitar que la luz solar y el calor entren en un edificio durante los días calurosos, lo que mejora la eficiencia energética. [1] También se puede utilizar para proporcionar privacidad o visibilidad a una habitación de forma conveniente.
Existen dos clasificaciones principales de vidrio inteligente: activo o pasivo. Las tecnologías de vidrio activo más comunes que se utilizan en la actualidad son las electrocrómicas , las de cristal líquido y las de partículas suspendidas (SPD). Las termocrómicas y las fotocrómicas se clasifican como tecnologías pasivas. [2]
Cuando se instala en la envoltura de los edificios, el vidrio inteligente ayuda a crear cubiertas de edificios adaptables al clima , [3] cuyos beneficios incluyen cosas como ajuste de la luz natural, comodidad visual, bloqueo de rayos UV e infrarrojos , uso reducido de energía, comodidad térmica, resistencia a condiciones climáticas extremas y privacidad. [4] Algunas ventanas inteligentes pueden autoadaptarse para calentar o enfriar para la conservación de energía en los edificios . [5] [6] [7] Las ventanas inteligentes pueden eliminar la necesidad de persianas, cortinas o tratamientos de ventanas. [8]
Algunos efectos se pueden obtener laminando una película inteligente o una película conmutable sobre superficies planas utilizando laminados de vidrio, acrílico o policarbonato. [9] Algunos tipos de películas inteligentes se pueden aplicar a ventanas de vidrio existentes utilizando una película inteligente autoadhesiva o un pegamento especial. [10] También se están desarrollando métodos de pulverización para aplicar recubrimientos transparentes para bloquear el calor y conducir la electricidad. [11]
El término "ventana inteligente" se originó en la década de 1980. Fue introducido por el físico de materiales sueco Claes-Göran Granqvist de la Universidad Tecnológica de Chalmers , quien estaba intercambiando ideas para hacer que los materiales de construcción fueran más eficientes energéticamente con científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California . Granqvist usó el término para describir una ventana reactiva capaz de cambiar dinámicamente su tinte. [4]
La siguiente tabla muestra una descripción general de las diferentes tecnologías de vidrio inteligente conmutables eléctricamente:
Los dispositivos electrocrómicos cambian las propiedades de transmisión de la luz en respuesta al voltaje y, por lo tanto, permiten controlar la cantidad de luz y calor que pasan a través de ellos. [12] En las ventanas electrocrómicas, el material cambia su opacidad . Se requiere una ráfaga de electricidad para cambiar su opacidad, pero el material mantiene su tono con poca o ninguna señal eléctrica adicional. [13]
Las tecnologías electrocrómicas antiguas tienden a tener un tono amarillento en sus estados transparentes y matices azules en sus estados tintados. El oscurecimiento se produce desde los bordes, moviéndose hacia el interior, y es un proceso lento, que puede durar desde varios segundos hasta 20-30 minutos, según el tamaño de la ventana. Las tecnologías electrocrómicas más nuevas eliminan el tono amarillento en el estado transparente y tiñen con tonos de gris más neutros, tiñendo de manera uniforme en lugar de hacerlo desde afuera hacia adentro, y aceleran la velocidad de teñido a menos de tres minutos, independientemente del tamaño del vidrio. El vidrio electrocrómico mantiene la visibilidad en su estado oscurecido y, por lo tanto, preserva el contacto visual con el entorno exterior.
Los avances recientes en materiales electrocrómicos relacionados con la electrocromía de hidruros de metales de transición han llevado al desarrollo de hidruros reflectantes, que se vuelven reflectantes en lugar de absorbentes y, por lo tanto, cambian de estado entre transparentes y similares a un espejo.
Los recientes avances en películas nanocristalinas porosas modificadas han permitido la creación de pantallas electrocrómicas. La estructura de pantalla de sustrato único consta de varias capas porosas apiladas impresas una sobre otra sobre un sustrato modificado con un conductor transparente (como ITO o PEDOT:PSS ). Cada capa impresa tiene un conjunto específico de funciones. Un electrodo de trabajo consta de un semiconductor poroso positivo como el dióxido de titanio, con cromógenos adsorbidos . Estos cromógenos cambian de color mediante reducción u oxidación. Se utiliza un pasivador como negativo de la imagen para mejorar el rendimiento eléctrico. La capa aislante sirve para aumentar la relación de contraste y separar eléctricamente el electrodo de trabajo del contraelectrodo . El contraelectrodo proporciona una alta capacitancia para contrarrestar las cargas insertadas/extraídas en el electrodo SEG (y mantener la neutralidad de carga en el dispositivo general). El carbono es un ejemplo de una película de depósito de carga. Una capa de carbono conductora se utiliza normalmente como contacto posterior conductor para el contraelectrodo. En el último paso de impresión, la estructura monolítica porosa se sobreimprime con un electrolito líquido o de gel de polímero, se seca y luego se puede incorporar en varias encapsulaciones o recintos, según los requisitos de la aplicación. Las pantallas son muy delgadas, a menudo de 30 micrómetros. El dispositivo se puede encender aplicando un potencial eléctrico al sustrato conductor transparente en relación con la capa de carbono conductora. Esto hace que se produzca una reducción de las moléculas de viológeno (coloración) dentro del electrodo de trabajo. Al invertir el potencial aplicado o proporcionar una ruta de descarga, el dispositivo se blanquea. Una característica única del monolito electrocrómico es el voltaje relativamente bajo (alrededor de 1 voltio) necesario para colorear o blanquear los viológenos . Esto se puede explicar por los pequeños sobrepotenciales necesarios para impulsar la reducción electroquímica de los viológenos/cromógenos adsorbidos en la superficie.
La mayoría de los tipos de películas inteligentes requieren voltaje (por ejemplo, 110 V CA) para funcionar y, por lo tanto, estos tipos de películas inteligentes deben estar encerradas dentro de laminados de vidrio, acrílico o policarbonato para brindar seguridad eléctrica a los usuarios. [ cita requerida ]
En los dispositivos de cristal líquido dispersos en polímeros (PDLC), los cristales líquidos se disuelven o dispersan en un polímero líquido, seguido de la solidificación o curado del polímero. Durante el cambio del polímero de líquido a sólido, los cristales líquidos se vuelven incompatibles con el polímero sólido y forman gotitas en todo el polímero sólido. Las condiciones de curado afectan el tamaño de las gotitas, que a su vez afectan las propiedades operativas finales de la "ventana inteligente". Normalmente, la mezcla líquida de polímero y cristales líquidos se coloca entre dos capas de vidrio o plástico que incluyen una capa fina de un material conductor transparente, seguido del curado del polímero, formando así la estructura básica tipo sándwich de la ventana inteligente. Esta estructura es, en efecto, un condensador.
Los electrodos de una fuente de alimentación están unidos a los electrodos transparentes. Sin voltaje aplicado, los cristales líquidos se disponen aleatoriamente en las gotitas, lo que produce la dispersión de la luz a medida que pasa a través del conjunto de la ventana inteligente. Esto da como resultado el aspecto translúcido, "blanco lechoso". Cuando se aplica un voltaje a los electrodos, el campo eléctrico formado entre los dos electrodos transparentes en el vidrio hace que los cristales líquidos se alineen, lo que permite que la luz pase a través de las gotitas con muy poca dispersión y da como resultado un estado transparente. El grado de transparencia se puede controlar mediante el voltaje aplicado. Esto es posible porque a voltajes más bajos, solo algunos de los cristales líquidos se alinean completamente en el campo eléctrico, por lo que solo pasa una pequeña parte de la luz mientras que la mayor parte de la luz se dispersa. A medida que aumenta el voltaje, quedan menos cristales líquidos desalineados, lo que da como resultado que se disperse menos luz. También es posible controlar la cantidad de luz y calor que pasa, cuando se utilizan tintes y capas internas especiales.
En los dispositivos de partículas suspendidas (SPD, por sus siglas en inglés), una fina lámina de partículas nanométricas en forma de varilla se suspende en un líquido y se coloca entre dos piezas de vidrio o plástico, o se adhiere a una capa. Cuando no se aplica voltaje, las partículas suspendidas se organizan aleatoriamente, bloqueando y absorbiendo así la luz. Cuando se aplica voltaje, las partículas suspendidas se alinean y dejan pasar la luz. Al variar el voltaje de la película, se modifica la orientación de las partículas suspendidas, regulando así el tinte del vidrio y la cantidad de luz transmitida. Los SPD se pueden "ajustar" de forma manual o automática para controlar con precisión la cantidad de luz, deslumbramiento y calor que pasan a través de ellos.
Las micropersianas controlan la cantidad de luz que pasa a través de ellas en respuesta al voltaje aplicado. Las micropersianas están compuestas por láminas metálicas delgadas enrolladas sobre vidrio. Son muy pequeñas y, por lo tanto, prácticamente invisibles a la vista. La capa metálica se deposita mediante pulverización catódica con magnetrón y se modela mediante un proceso de láser o litografía. El sustrato de vidrio incluye una capa delgada de óxido conductor transparente (TCO). Se deposita un aislante delgado entre la capa metálica enrollada y la capa de TCO para la desconexión eléctrica. Sin voltaje aplicado, las micropersianas se enrollan y dejan pasar la luz. Cuando hay una diferencia de potencial entre la capa metálica enrollada y la capa conductora transparente, el campo eléctrico formado entre los dos electrodos hace que las micropersianas enrolladas se estiren y bloqueen así la luz. Las micropersianas tienen varias ventajas, entre ellas la velocidad de conmutación (milisegundos), la durabilidad frente a los rayos UV, la apariencia personalizada y la transmisión. La tecnología de las micropersianas se desarrolló en el Consejo Nacional de Investigación (Canadá) .
El polímero de cambio de fase (PCP) muestra una transición de fase reversible entre estados amorfos y semicristalinos. [14] Este cambio de fase está dominado por el cambio de temperatura en la aplicación de vidrio inteligente termocrómico, lo que lo hace completamente automático sin costo de electricidad. La estructura del PCP a menudo consta de dos componentes principales: un polímero componente de cambio de fase (llamémoslo P1) reticulado con otro polímero (P2) que está fuertemente separado en fases del anterior debido a una hidrofilicidad diferente . Por lo tanto, P1 y P2 pueden formar una separación de fases a nivel micrométrico después del curado. Cuando la temperatura está por debajo de la temperatura de transición de fase (Tp) de P1, P1 es semicristalino y su índice de refracción coincide con el de P2, lo que hace que toda la estructura sea transparente a la luz visible. [15] Cuando la temperatura supera Tp, P1 se funde y pasa a la fase amorfa que exhibe un gran desajuste del índice de refracción con P2, lo que da como resultado una apariencia opaca. [15] Al seleccionar inteligentemente el material para P1, se puede observar un efecto inverso del cambio de transmitancia. Por ejemplo, si por debajo de Tp el índice de refracción del P1 semicristalino no coincide con el de P2, la película es opaca; si el P1 amorfo coincide con P2 con respecto al índice de refracción por encima de Tp, entonces la película es transparente a la temperatura elevada. Una aplicación característica sería que el PCP se aplicara como revestimiento sobre la ventana de vidrio de un almacén, donde el PCP se vuelve opaco durante los días calurosos para bloquear la radiación excesiva y enfriar la habitación, ahorrando así energía al hacer funcionar un acondicionador de aire. [16]
La expresión vidrio inteligente puede interpretarse en un sentido más amplio para incluir también vidrios que cambian sus propiedades de transmisión de luz en respuesta a una señal ambiental como la luz o la temperatura.
Este tipo de acristalamientos no se pueden controlar manualmente. Por el contrario, todas las ventanas inteligentes accionadas eléctricamente pueden configurarse para adaptar automáticamente sus propiedades de transmisión de luz en respuesta a la temperatura o la luminosidad mediante la integración de un termómetro o un fotosensor , respectivamente.
El vidrio inteligente se puede utilizar para ahorrar energía en calefacción y refrigeración en edificios controlando la cantidad de luz solar que pasa a través de una ventana. Una película de control de temperatura transparente o opaca hace que la película inteligente entre en un estado opaco cuando hace sol y la temperatura interior es alta. Cuando hace sol y la temperatura interior es baja, el vidrio inteligente entra en un estado transparente.
En la oficina:
Decoración interior de residencia:
Exhibición de productos y publicidad comercial:
El vidrio inteligente se puede utilizar como pantalla de proyección conmutable en el escaparate de una tienda para publicidad. La película inteligente de tercera generación [ aclaración necesaria ] es buena tanto para proyección frontal como trasera, y las imágenes proyectadas se pueden ver desde ambos lados. [ cita requerida ]
Los usos para otras ocasiones especiales incluyen:
La Torre Eureka de Melbourne tiene un cubo de vidrio que sobresale 3 m (10 pies) del edificio con visitantes en su interior, suspendido a casi 300 m (984 pies) sobre el suelo. Cuando uno entra, el vidrio es opaco a medida que el cubo se extiende sobre el borde del edificio. Una vez que se extiende por completo sobre el borde, el vidrio se vuelve transparente.
El Boeing 787 Dreamliner cuenta con ventanas electrocrómicas que reemplazaron las cortinas abatibles de las ventanas de los aviones existentes. [19]
La NASA está estudiando el uso de electrocrómicos para gestionar el entorno térmico experimentado por los nuevos vehículos espaciales Orion y Altair .
El vidrio inteligente se ha utilizado en algunos automóviles de producción pequeña, incluido el Ferrari 575 M Superamerica . [20]
Los trenes de alta velocidad ICE 3 utilizan paneles de vidrio electrocrómico entre el compartimento de pasajeros y la cabina del conductor.
Los ascensores del Monumento a Washington utilizan cristales inteligentes para que los pasajeros puedan ver las piedras conmemorativas dentro del monumento.
El baño de la ciudad en la plaza Museumplein de Ámsterdam cuenta con un vidrio inteligente para determinar fácilmente el estado de ocupación de un cubículo vacío cuando la puerta está cerrada, y para garantizar la privacidad cuando está ocupado.
Bombardier Transportation tiene ventanas inteligentes antideslumbrantes en el Bombardier Innovia APM 100 que opera en la línea LRT Bukit Panjang de Singapur , para evitar que los pasajeros miren dentro de los apartamentos mientras el tren está en movimiento [21] y está planeando ofrecer ventanas que usan tecnología de vidrio inteligente en sus vehículos de tren ligero Flexity 2. [ 22]
El fabricante de teléfonos chino OnePlus presentó un teléfono cuyas cámaras traseras están colocadas detrás de un panel de vidrio electrocrómico. [23]
Los baños públicos de Tokio utilizan esta tecnología para abordar cuestiones de seguridad y privacidad. Las personas que se acercan a un baño pueden confirmar que está vacío porque pueden ver el interior mientras la puerta está abierta. Una vez que la puerta del baño ocupado está cerrada, las paredes de la habitación son opacas. [24] [25]
El Volkswagen ID.7 tiene un techo corredizo panorámico de cristal inteligente, que se puede cambiar de transparente a opaco eléctricamente. [26]
Los trenes Bombardier INNOVIA APM100 (C801) son la primera variante de los vagones LRT de Singapur, que operan en la línea LRT Bukit Panjang de 14 estaciones operada por SMRT Light Rail Ltd. Fueron desarrollados inicialmente por Adtranz como CX-100, que luego fue adquirido por Bombardier Transportation y renombrado en 2001.
Esta tecnología de ventanas con regulación electrónica de la luz proporciona un aislamiento térmico insuperable: SPD-SmartGlass evita sustancialmente que el calor solar entre por las ventanas. En comparación con el vidrio automotriz convencional, Mercedes-Benz informó que el uso de SPD-SmartGlass redujo significativamente la temperatura en el interior del vehículo hasta en 18 °F/10 °C. Esto aumenta la comodidad de los pasajeros y reduce las cargas de aire acondicionado, ahorrando así combustible y reduciendo las emisiones de CO2.
